Chladicí systém tokamaku ITER

Při pohledu na změť trubek na obrázku vás napadne, že je to dílo šíleného umělce zobrazující spletitost lidského osudu. Autor kovové džungle však není sochař, ale inženýr, či spíše tým inženýrů. Chladivo proudící zdánlivým kovovým chaosem musí odvést energii termojaderné reakce. U experimentálního zařízení do prostoru, u budoucí elektrárny do parogenerátoru.

Pro odvod tepla z komponent, které leží nejblíže k horkému plazmatu a tudíž se budou  vzniklým fúzním teplem nejvíc ohřívat, se systém chlazení tokamaku spolehne na více než 36 kilometrů potrubí a spojek, na velké množství podpěr, ventilů, čerpadel, výměníků tepla a nádrží. To vše se musí vtěsnat do omezeného prostoru Trojbudoví (reaktor, tritiové hospodářství, diagnostika) tokamaku a materiálově a výrobně musí být tzv. „jaderné kvality“. Umíte si asi představit, že výroba a montáž tohoto složitého systému nebude jednoduchá. V listopadu 2017 byl vybrán a úspěšně vyzkoušen návrh postupu pro všechny prvky systému. Po zevrubné kontrole návrhu se nyní systém vodního chlazení tokamaku může začít vyrábět počínaje součástkami, které je třeba podle požadavků na konstrukční sekvence zařízení instalovat před „prvním“ plazmatem, tedy před napuštěním plazmatu do vakuové komory.

Tokamak versus vodovod

Malé srovnání pro představu množství vody: u vás doma teče z vodovodního kohoutku asi 0,1 l vody za sekundu, rychlostí 1 metr za sekundu, při tlaku kolem 3 baru (0,3 MPa). Potrubím tokamakového chladicího systému protéká 5 m³ vody za sekundu rychlostí 10 metrů za sekundu pod tlakem 1,4 MPa (a až 5 MPa za čerpadlem).

Tokamak Cooling Water System (TCWS)

TCWS je jeden z jaderných systémů tokamaku ITER dodávaných formou plnění závazku výrobkem, to znamená, že země podílející se na stavbě (v případě TCWS je to USA) dodá místo peněz přímo výrobek. TCWS svou složitostí a rozsahem dosahuje parametrů chladicích systémům komerční energetické štěpné jaderné elektrárny, ale vzhledem k jedinečné konstrukční architektuře fúzního stroje je rozměrově mnohem větší. Chladicí systém bude schopen odebrat tokamaku až gigawatt tepla. (Pro představu: gigawatt = jedna miliarda wattů, zajistí dostatek energie potřebám malého města.) TCWS také nabídne možnosti, které se v elektrárnách běžně nevyužívají: vypékaní a sušení vnitřku vakuové nádoby, detekci netěsností a pomoc s údržbou tokamaku. Systém bude propojen se sekundárním obvodem chlazení (ten vyrábí Indie), stejně jako s dalšími systémy tokamaku ITER.

Zařízení s radioaktivní vodou pod tlakem

Rozmístění a návrh TCWS je technickým oříškem z mnoha důvodů: omezený montážní prostor, velké množství propojovacích systémů a také proto, že coby bezpečnostně důležitý systém pro nakládání s radioaktivní vodou musí TCWS splňovat francouzské směrnice pro jaderná tlaková zařízení. Všech 36 kilometrů potrubí a armatur (dohromady váží 1 200 tun), spolu s 12 000 konstrukčními podpěrami, 3000 ventily a 100 kusy dalších zařízení bude muset být instalováno v těsných prostorách uvnitř Trojbudoví tokamaku.

Hlídá se kvalita i náklady

Globální zodpovědnost za TCWS zůstává na Domácí agentuře USA. V čele divize Tokamak Cooling Water System na ITER je Moustafa Moteleb (najdete ho v pravém horním rohu skupinové fotografie), který říká: „S necelými 30 zaměstnanci v ústředí ITER jsme schopni produkovat vysoce kvalitní práci, vylepšením počátečního návrhu systému počínaje, snížením nákladů a přivedením prvního kola součástí na požadovanou úroveň konče. Využili jsme metodu ‚Analýzy dosažené hodnoty‘ [Earned Value Management], abychom sledovali vlastní výkony v souladu s harmonogramem a současně sledovali úspory nákladů.,“

Konečný návrh od týmu ITER TCWS řeší také důležitou otázku ochrany elektroniky uvnitř tokamaku před vlivem aktivované chladicí vody - problém, který byl již zmíněn. Prostřednictvím odborných znalostí a přesných modelovacích nástrojů byl tým schopen navrhnout řešení, které splňuje všechny bezpečnostní požadavky projektu. "Návrh obsahuje konfiguraci schválenou generálním ředitelem Bigotem v červnu 2015, která významně zlepšila ochranu elektroniky," říká Moteleb. "V mnoha oblastech se strategie zaměřila na dodatečné stínění, přemístění a překvalifikaci elektroniky, aby odolávala drsně nevlídnému prostředí. Zatímco plánování inspekce a vnitřního servisu komponent TCWS v provozu zůstává problémem kvůli přetíženému zařízení, míry expozice pracovníků uvnitř tokamaku budou hluboko pod přijatými normami jaderných zařízeních."

První komponenty budou na místě v r. 2021

Návrh potrubí a komponent TCWS byl potvrzen nejprve při kontrole připravenosti, která se uskutečnila v září v USA, poté dvěma návrhy integračních recenzí TCWS v ITER v říjnu 2017 a konečně v třídenním závěrečném přezkumu v listopadu, kterého se zúčastnilo přibližně 40 odborníků z organizace ITER, US ITER a průmyslu. Výroba kritických komponent, jako jsou tepelné výměníky a tlakové nádoby, může tedy začít. „Je velmi vzrušující vstoupit do nové fáze. Hlavní část návrhu je hotová a uzavření výrobních smluv se očekává v roce 2018. TCWS team při ITER Organization vděčí za úspěšné dokončení revize návrhu komponent pro první fázi, kdy se TCWS uvádí do provozu, odpovědným pracovníkům Janu Berrymu a Bradu Nelsonovi, kteří na počátku práce na systematickém koncepčním návrhu přestoupili z Domácí agentury US ITER do skupiny TCWS při ITER. Bez jejich pomoci v uplynulých letech bychom určitě nemohli být tam, kde jsme dnes,“uvedl Moteleb.

Tým má již vypracovaný návrh součástek pro druhou fázi, stejně jako předběžné konstrukční inženýrské studie zaměřené na snížení množství svárů potrubí prováděných na místě. Instalace potrubí začne koncem roku 2019 uvnitř Trojbudoví tokamaku.